1、3 材料与热源材料与热源3.1 核燃料3.2 包壳材料3.3 冷却剂和慢化剂3.4 堆热源及其分布堆热源及其分布原子核模型与结合能原子核模型与结合能原子核模型与结合能2中中子模型子模型中子模型3结合能43.4 堆热源及其分布堆热源及其分布 激发能5发生裂变的条件发生裂变的条件裂变能6裂变能分布之裂变能分布之裂变瞬发裂变瞬发类型类型来源来源能量能量/Mev射程射程释热释热地点地点裂变裂变瞬发瞬发裂变碎片裂变碎片动能动能168极短，极短，0.025mm在燃料在燃料元件内元件内裂变中子裂变中子动能动能5中中大部分在大部分在慢化剂内慢化剂内瞬发瞬发 g g 射线射线能量能量7长长堆内各处堆内各处合计合
2、计180裂变能7裂变能分布之裂变缓发裂变能分布之裂变缓发 类型类型来源来源能量能量/Mev射程射程释热释热地点地点裂变裂变缓发缓发裂变产物裂变产物衰变衰变 b b 射线射线7短，短，10mm 大部分燃料元大部分燃料元件内件内,小部分小部分慢化剂内慢化剂内 裂变产物裂变产物衰变衰变 g g 射线射线6长长 堆内各处堆内各处 合计合计13裂变能8裂变能分布之裂变缓发裂变能分布之裂变缓发 类型类型来源来源能量能量/Mev射程射程释热释热地点地点过剩中子引起过剩中子引起（n,g g）反应）反应 过剩中子引起过剩中子引起的非裂变反应的非裂变反应加上（加上（n,g g）反应产物的反应产物的 b b衰变和衰
3、变和 g g 衰变衰变 7有短有短有长有长 大部分燃料大部分燃料元件内元件内,小部小部分慢化剂内分慢化剂内 合计合计7裂变能9裂变能分布裂变能分布类型能量/Mev裂变瞬发180裂变缓发13过剩中子引起（n,g）反应 7总计200工程上通常取工程上通常取97.4%的裂变能在燃料元件内转换为热能的裂变能在燃料元件内转换为热能链式裂变10链式裂变反应链式裂变反应基本概念11计算热源需要的几个基本概念计算热源需要的几个基本概念n裂变率裂变率q在单位时间单位体积燃料内，在单位时间单位体积燃料内，发生的裂变次数发生的裂变次数 f5f RN R 为裂变率，单位是1/（cm3s）为宏观截面，单位是1/cm 为
4、微观截面，单位是cm2；N5 为235U的核子密度，单位是1/cm3；为中子通量密度，单位是1/（cm2s）微观裂变截面微观裂变截面假设有一束单向均匀平行的假设有一束单向均匀平行的单能中子束单能中子束，其强度为，其强度为I，垂直入射到一个具有单位面积的，垂直入射到一个具有单位面积的薄靶薄靶上，靶的厚上，靶的厚度为度为x,靶片内单位体积中的原子数是靶片内单位体积中的原子数是N。在靶后测。在靶后测得的中子束强度是得的中子束强度是I，那么，那么I-I=I其绝对值就等于其绝对值就等于与靶核发生作用的中子数。与靶核发生作用的中子数。实验表明实验表明：在靶面积不变的情况下，：在靶面积不变的情况下，I正比于
5、中子正比于中子束强度束强度I，靶厚度，靶厚度x和靶的核密度和靶的核密度N，即，即I=-I N x式中：式中：为比例常数，称为微观截面，它与靶核的为比例常数，称为微观截面，它与靶核的性质和中子的能量有关。性质和中子的能量有关。微观裂变截面12微观裂变截面13微观裂变截面微观裂变截面n微观裂变截面表示的是平均一个入射中子与一个可裂微观裂变截面表示的是平均一个入射中子与一个可裂变核相互作用的变核相互作用的几率几率大小的一种度量，具有面积的量大小的一种度量，具有面积的量纲，通常用纲，通常用b（靶恩）作为单位，（靶恩）作为单位，1b=10-24cm2。材料裂变截面f/b233U531235U582239
6、Pu7430.0253eV中子的裂变截面中子的裂变截面 ff,0.02532932273f tt基本概念14计算热源需要的几个基本概念计算热源需要的几个基本概念n裂变率裂变率n核子密度核子密度q在单位体积燃料内，在单位体积燃料内，易裂变核的数量易裂变核的数量 u5005uNA CM常数A00=6.0221023 mol-1Mu是UO2的摩尔质量C5是该核素的丰度总核子数UU单位质量铀内U单位质量铀内2389223592235925核子数C500555500005851111 0.98741eAMCeeAAMMe富集度是富集度是235U在铀中的质量数之比在铀中的质量数之比 丰度是同位素丰度是同位
7、素235U和和U原子数之比原子数之比基本概念15体积释热率体积释热率n裂变率裂变率n核子密度核子密度n体积释热率体积释热率q在单位时间单位体积燃料内释放的在单位时间单位体积燃料内释放的热量热量 ufuf5f VqF E RF E N Ef是每次裂变释放的能量是每次裂变释放的能量Fu是燃料内释热占全部释热的份额是燃料内释热占全部释热的份额热源16热功率热功率n裂变率裂变率n核子密度核子密度n体积释热率体积释热率n堆芯燃料内总热功率堆芯燃料内总热功率ufuf5f VqF E RF E N cuf5fc PF E N V热源17热功率热功率n裂变率裂变率n核子密度核子密度n体积释热率体积释热率n堆芯
8、燃料内总热功率堆芯燃料内总热功率n反应堆总热功率反应堆总热功率 cuf5fc PF E N Vtcuf5fc/PPFE N V均匀堆18均匀堆释热率分布均匀堆释热率分布 e0cosax0eeecos cos cosxyzabc0eesinrrRR00ee2.405/coszJr RL几何形状几何形状坐标坐标热中子通量密度分布热中子通量密度分布厚度为厚度为a无限平无限平板板x边长为边长为a,b,c的的长方体长方体x,y,z半径为半径为R的球体的球体 r半径为半径为R，高度，高度为为L的圆柱体的圆柱体r,z贝塞尔函数19第一类贝塞尔函数第一类贝塞尔函数 J0（x）:0阶第一类贝塞尔函数阶第一类贝塞
9、尔函数 图形像衰减的余弦曲线图形像衰减的余弦曲线 圆柱堆20圆柱形堆芯圆柱形堆芯 r=0RReLe2-Le2L2-L2z=0(z)(r)qV(r)00ee2.405,cosrzr zJRLRe为外推半径，Le为外推高度tre71.0RRRRtre42.12LLLLmax0ee,2.405cosVVrzqr zqJRLmax,uuf5f0 VqF E N 功率展平21功率展平问题功率展平问题max0ee,2.405cosVVrzqr zqJRL功率展平22方法一：燃料分区装载方法一：燃料分区装载1005020406080100径向相对距离/%IIIIII0功率展平23方法二：合理布置控制棒（轴向
10、）方法二：合理布置控制棒（轴向）无控制棒寿期初寿期末控制棒：控制棒：停堆棒、调节棒和补偿棒功率展平24方法二：合理布置控制棒（径向）方法二：合理布置控制棒（径向）1005020406080100径向相对距离/%有控制棒无控制棒控制棒0余热25停堆后反应堆的功率停堆后反应堆的功率 n主要由主要由q缓发中子引起的裂变反应缓发中子引起的裂变反应q裂变产物的衰变裂变产物的衰变q其它材料的中子俘获其它材料的中子俘获 0.20.2000.20.27700.110100.872 100.872 10P ttttPttt Glasstone关系式余热26Glasstone关系式1101021031041051
11、06t /s00.020.040.060.08t=1年t=1个月t=7天余热27ANS和和Glasstone比较比较 10-11010310510710910-210-310-410-1ANSGlasstonet/s小结28小结小结n热源热源计算计算问题问题q体积释热率体积释热率n裂变率（宏观截面和微观截面）裂变率（宏观截面和微观截面）n核子密度（丰度和富集度）核子密度（丰度和富集度）q功率展平功率展平q停堆后发热（余热）停堆后发热（余热）r=0RReLe2-Le2L2-L2z=0(z)(r)qV(r)核燃料29习题习题1 假设堆芯内所含燃料是富集度假设堆芯内所含燃料是富集度3.4%的的UO2，慢化剂为慢化剂为H2O,慢化剂平均温度为慢化剂平均温度为300，并，并且假设中子是全部热能化的，在整个中子能且假设中子是全部热能化的，在整个中子能谱范围内都适用谱范围内都适用1/v定律。定律。试计算中子注量试计算中子注量率为率为21013 1/（cm2s）处燃料元件内的体）处燃料元件内的体积释热率。积释热率。2 保守保守估估算一座算一座100万千瓦电万千瓦电功率的功率的反应堆反应堆停停堆一天后堆芯堆一天后堆芯的的发热功率。发热功率。
